Фізики Стенфорда виявили докази існування невловної фази матерії в нових кристалах
Хоча практичне застосування відкриття ще поки невідоме, воно має фундаментальне значення для розвитку квантових обчислень (Фото: pixabay)
Група фізиків під керівництвом професора Стенфордського університету Янга Лі представила одне з найпереконливіших доказів існування екзотичного стану матерії, відомого як квантова спінова рідина.
Дослідження, результати якого опубліковані в журналі Nature Physics, демонструє, що цей стан не є унікальною аномалією одного матеріалу, а виступає універсальною характеристикою цілого класу сполук зі специфічною атомною структурою.
У більшості магнітних матеріалів при охолодженні спини електронів упорядковуються, подібно до стрілок компаса. Однак у квантових спінових рідинах навіть за умов, близьких до абсолютного нуля (приблизно -273,15 градуса Цельсія), спини залишаються в стані безперервного хаотичного руху. Це явище зумовлене глибокою квантовою заплутаністю — станом, де частинки зберігають взаємозв'язок незалежно від відстані між ними.
Ключовим об'єктом дослідження стали матеріали з решіткою типу «кагоме» — геометричним візерунком із переплетених трикутників. Така структура на рівні атомів перешкоджає магнітному впорядкуванню. Щоб перевірити теорію універсальності цього стану, науковці синтезували високоякісні монокристали матеріалу під назвою Zn-барлоуїт. Процес вирощування таких кристалів потребує надзвичайної точності, оскільки для чистоти експерименту необхідна ідеально впорядкована структура без домішок.
Для вивчення внутрішніх процесів у матеріалі автори використали метод високоточного непружного розсіювання нейтронів. Оскільки нейтрони здатні проникати глибоко всередину кристалічної решітки, вони дозволили зафіксувати, як спини електронів взаємодіють у просторі та часі. Експеримент показав вражаючий результат: типові магнітні збудження (магнони) розпадалися на дрібніші фрагменти — спінони. Подібна поведінка можлива лише в системах із високим рівнем квантової заплутаності.
Важливість відкриття полягає в тому, що аналогічні сигнали раніше спостерігалися в іншому матеріалі — гербертсмітиті. Тепер, побачивши ідентичну картину в Zn-барлоуїті, фізики впевнено стверджують: квантова спінова рідина є реальною та стійкою фазою матерії.
Хоча практичне застосування відкриття ще поки невідоме, воно має фундаментальне значення для розвитку квантових обчислень та систем безпечного зберігання інформації. Наступним викликом для наукової спільноти стане створення інструментів для прямого вимірювання квантової заплутаності всередині твердих тіл, що дозволить ще глибше зазирнути в природу квантового світу.
